Trådlös sensornätverksarkitektur och dess applikationer

För närvarande, WSN (trådlöst sensornätverk) är de vanligaste tjänsterna som används i kommersiella och industriella applikationer, på grund av dess tekniska utveckling inom en processor, kommunikation och lågeffektanvändning av inbäddade datorenheter. Den trådlösa sensornätverksarkitekturen är byggd med noder som används för att observera omgivningen som temperatur, fuktighet, tryck, position, vibration, ljud etc. Dessa noder kan användas i olika realtidsapplikationer för att utföra olika uppgifter som smart detektering, en upptäckt av grannnoder, databehandling och lagring, datainsamling, målspårning, övervakning och kontroll, synkronisering, nodlokalisering och effektiv dirigering mellan basstationen och noder. För närvarande börjar WSNs organiseras i ett förbättrat steg. Det är inte besvärligt att förvänta sig att världen om 10 till 15 år kommer att skyddas med WSN med förrätt till dem via Internet. Detta kan mätas som att Internet blir ett fysiskt n / w. Denna teknik är spännande med oändlig potential för många applikationsområden som medicin, miljö, transport, militär, underhållning, hemlandsförsvar, krishantering och även smarta utrymmen.

Vad är ett trådlöst sensornätverk?

En trådlös Sensor Network är ett slags trådlöst nätverk som inkluderar ett stort antal cirkulerande, självstyrda, små, lågdrivna enheter som heter sensornoder som kallas motes. Dessa nät täcker verkligen ett stort antal rumsligt distribuerade, små, batteridrivna, inbäddade enheter som är nätverksbundna för att omsorgsfullt samla in, bearbeta och överföra data till operatörerna, och det har kontrollerat datorer och bearbetning. Noder är små datorer som fungerar tillsammans för att bilda nätverk.

Trådlöst sensornätverk

Sensornoden är en multifunktionell, energieffektiv trådlös enhet. Tillämpningarna av motes inom industri är utbredda. En samling sensornoder samlar in data från omgivningen för att uppnå specifika applikationsmål. Kommunikationen mellan motes kan göras med varandra med hjälp av sändtagare. I ett trådlöst sensornätverk kan antalet motes vara i storleksordningen hundratals / till och med tusentals. Till skillnad från sensorn n / ws kommer Ad Hoc-nätverk att ha färre noder utan någon struktur.

Trådlös sensor nätverksarkitektur

Den vanligaste nätverksarkitekturen för trådlösa sensorer följer OSI-arkitekturmodellen. Arkitekturen för WSN inkluderar fem lager och tre tvärlager. För det mesta i sensor n / w kräver vi fem lager, nämligen applikation, transport, n / w, datalänk och fysiskt lager. De tre korsplanen är nämligen energihantering, mobilitetshantering och uppgiftshantering. Dessa lager av WSN används för att åstadkomma n / w och få sensorerna att arbeta tillsammans för att höja nätverkets fullständiga effektivitet. Följ nedanstående länk för Typer av trådlösa sensornätverk och WSN-topologier

Typer av WSN-arkitekturer

Arkitekturen som används i WSN är sensornätverksarkitektur. Denna typ av arkitektur är tillämplig på olika platser som sjukhus, skolor, vägar, byggnader såväl som den används i olika applikationer som säkerhetshantering, katastrofhantering och krishantering etc. Det finns två typer av arkitekturer som används i trådlös sensor nätverk som inkluderar följande. Det finns två typer av trådlösa sensorarkitekturer: Layered Network Architecture och Clustered Architecture. Dessa förklaras som följer nedan.

• Skiktad nätverksarkitektur
• Clustered Network Architecture

Skiktad nätverksarkitektur

Denna typ av nätverk använder hundratals sensornoder samt en basstation. Här kan arrangemanget av nätverksnoder göras i koncentriska lager. Den består av fem lager samt 3 tvärlager som inkluderar följande.

De fem skikten i arkitekturen är:

• Applikationsskikt
• Transportskikt
• Nätverksskikt
• Datalänkskikt
• Fysiskt lager

De tre tvärlagren innehåller följande:

• Strömhanteringsplan
• Plan för mobilitetshantering
• Uppgiftshanteringsplan

Dessa tre korslager används huvudsakligen för att styra nätverket samt för att få sensorerna att fungera som ett för att förbättra den totala nätverkseffektiviteten. Ovan nämnda fem lager av WSN diskuteras nedan.

Trådlös sensor nätverksarkitektur

Applikationsskikt

Applikationsskiktet är ansvarigt för trafikhantering och erbjuder programvara för många applikationer som konverterar data i en tydlig form för att hitta positiv information. Sensornätverk arrangerade i många applikationer inom olika områden som jordbruk, militär, miljö, medicin, etc.

Transportskikt

Transportskiktets funktion är att leverera överbelastningsundvikande och tillförlitlighet där många protokoll som är avsedda att erbjuda denna funktion antingen är praktiska i uppströms. Dessa protokoll använder olika mekanismer för förlustigenkänning och förluståtervinning. Transportskiktet behövs exakt när ett system planeras att kontakta andra nätverk.

Att tillhandahålla en pålitlig förluståtervinning är mer energieffektivt och det är en av de främsta anledningarna till att TCP inte är lämpligt för WSN. Generellt kan transportskikt separeras i paketdrivna, händelsestyrda. Det finns några populära protokoll i transportlagret, nämligen STCP (Sensor Transmission Control Protocol), PORT (Prisorienterat pålitligt transportprotokoll och PSFQ (pump långsam hämtning snabb).

Nätverksskikt

Nätverkets huvudfunktion är routing, det har många uppgifter baserat på applikationen, men faktiskt är huvuduppgifterna i energibesparande, partiellt minne, buffertar och sensorer har inte ett universellt ID och måste vara självorganiserad.

Den enkla tanken med routing-protokollet är att förklara en tillförlitlig fil och redundanta banor, enligt en övertygande skala som kallas en metrisk, som varierar från protokoll till protokoll. Det finns många befintliga protokoll för detta nätverkslager, de kan separeras i platt routing och hierarkisk routing eller kan separeras i tidsdrivna, frågestyrda och händelsestyrda.

Datalänkskikt

Datalänkskiktet är ansvarigt för multiplexering av dataramdetektering, dataströmmar, MAC och felkontroll, bekräftar tillförlitligheten för punkt-punkt (eller) punkt-multipunkt.

Fysiskt lager

Det fysiska skiktet ger en kant för att överföra en bit av bitar över det fysiska mediet. Detta lager är ansvarigt för valet av frekvens, generering av en bärvågsfrekvens, signaldetektering, modulering och datakryptering. IEEE 802.15.4 föreslås som typiskt för lågfrekventa områden och trådlösa sensornätverk med låg kostnad, strömförbrukning, densitet, kommunikationsomfång för att förbättra batteriets livslängd. CSMA / CA används för att stödja star & peer to peer topologi. Det finns flera versioner av IEEE 802.15.4.V.

De huvudsakliga fördelarna med att använda denna typ av arkitektur i WSN är att varje nod helt enkelt involverar sändningar med mindre avstånd, lågeffektsändningar till angränsande noder på grund av vilket energianvändningen är låg jämfört med andra typer av sensornätverksarkitektur. Denna typ av nätverk är skalbar och innehåller en hög feltolerans.

Clustered Network Architecture

I denna typ av arkitektur läggs sensornoder separat till i grupper som kallas kluster som är beroende av 'Leach Protocol' eftersom det använder kluster. Termen 'Leach Protocol' står för 'Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy'. De viktigaste egenskaperna för detta protokoll inkluderar huvudsakligen följande.

Clustered Network Architecture

• Detta är en hierarkisk klusterarkitektur med två nivåer.
• Denna distribuerade algoritm används för att ordna sensornoderna i grupper, så kallade kluster.
• I varje kluster som bildas separat kommer huvudnoderna i klustret att skapa TDMA-planerna (Time-division multiple access).
• Den använder Data Fusion-konceptet så att det gör nätverket energieffektivt.

Denna typ av nätverksarkitektur används extremt på grund av datafusionsegenskapen. I varje kluster kan varje nod interagera genom huvudet på klustret för att få data. Alla kluster delar sina insamlade data mot basstationen. Bildandet av ett kluster, liksom dess huvudval i varje kluster, är en oberoende såväl som autonom distribuerad metod.

Designfrågor för trådlös sensornätverksarkitektur

Designfrågorna för trådlös sensornätverksarkitektur inkluderar huvudsakligen följande.

• Energiförbrukning
• Lokalisering
• Rapportering
• Klockor
• Beräkning
• Produktionskostnad
• Design av hårdvara
• Service kvalitet

Energiförbrukning

I WSN är energiförbrukningen en av huvudfrågorna. Som energikälla används batteriet genom att utrusta sensornoder. Sensornätverket är ordnat i farliga situationer så det blir komplicerat att byta batterier som annars laddas. Energiförbrukningen beror främst på sensornodernas funktioner som kommunikation, avkänning och databehandling. Under hela kommunikationen är energiförbrukningen mycket hög. Så, energiförbrukning kan undvikas i varje lager genom att använda effektiva routningsprotokoll.

Lokalisering

För driften av nätverket är det grundläggande, liksom kritiska problemet, sensorlokalisering. Så sensornoder är ordnade på ett ad hoc-sätt så att de inte vet var de befinner sig. Svårigheten att bestämma sensorns fysiska plats när de har ordnats kallas lokalisering. Denna svårighet kan lösas via GPS, fyrnoder, lokalisering baserat på närhet.

Rapportering

Sensornoderna i det trådlösa sensornätverket använder en täckningsalgoritm för att detektera data samt överföra dem för att sjunka genom routningsalgoritmen. För att täcka hela nätverket ska sensornoderna väljas. Där rekommenderas effektiva metoder som algoritmer för minsta och högsta exponeringsväg samt täckningsdesignprotokoll.

Klockor

I WSN är klocksynkronisering en seriös tjänst. Huvudfunktionen för denna synkronisering är att erbjuda en vanlig tidsskala för noder för lokala klockor i sensornätverk. Dessa klockor måste synkroniseras inom vissa applikationer som övervakning samt spårning.

Beräkning

Beräkningen kan definieras som summan av data som fortsätter genom varje nod. Huvudfrågan inom beräkning är att den måste minska resursutnyttjandet. Om basstationens livslängd är farligare kommer databearbetningen att slutföras vid varje nod innan data sänds mot basstationen. Om vi ​​har några resurser vid varje nod ska hela beräkningen göras vid sjunken.

Produktionskostnad

I WSN arrangeras det stora antalet sensornoder. Så om det enda nodpriset är väldigt högt kommer det totala nätverkspriset också att vara högt. I slutändan måste priset på varje sensornod hållas mindre. Så priset på varje sensornod inom det trådlösa sensornätverket är ett krävande problem.

Hårdvarudesign

När du designar sensornätverkets hårdvara som effektkontroll måste mikrokontroller och kommunikationsenhet vara energieffektiv. Dess design kan göras på ett sådant sätt att den använder låg energi.

Service kvalitet

Kvaliteten på tjänsten eller QoS är inget annat än, uppgifterna måste distribueras i tid. Eftersom vissa av sensorbaserade applikationer i realtid beror huvudsakligen på tid. Så om data inte distribueras i tid mot mottagaren blir uppgifterna värdelösa. I WSN finns det olika typer av QoS-problem som nätverkstopologi som kan modifieras ofta, liksom det tillgängliga tillståndet för information som används för dirigering kan vara exakt.

Strukturen för ett trådlöst sensornätverk

WSN: s struktur består huvudsakligen av olika topologier som används för radiokommunikationsnätverk som en stjärna, nät och hybridstjärna. Dessa topologier diskuteras i korthet nedan.

Star Network

Kommunikationstopologin som ett stjärnnätverk används överallt där endast basstationen kan sända eller ta emot ett meddelande mot fjärranoder. Det finns ett antal noder tillgängliga som inte får sända meddelanden till varandra. Fördelarna med detta nätverk består huvudsakligen av enkelhet, som kan hålla energianvändningen för fjärrnoder till ett minimum.

Det låter också kommunikation med mindre latens mellan basstationen och en fjärrnod. Den största nackdelen med detta nätverk är att basstationen bör ligga inom radioområdet för alla separata noder. Det är inte robust som andra nätverk eftersom det beror på en enda nod för att hantera nätverket.

Mesh-nätverk

Denna typ av nätverk tillåter överföring av data från en nod till en annan inom nätverket som ligger inom radiosändningen. Om en nod behöver sända ett meddelande till en annan nod och som är utanför radiokommunikationsområdet kan den använda en nod som en mellanliggande för att skicka meddelandet mot den föredragna noden.

Den största fördelen med ett nätverk är skalbarhet och redundans. När en enskild nod slutar fungera kan en fjärrnod konversera till vilken annan nodtyp som helst inom intervallet och sedan vidarebefordra meddelandet till önskad plats. Dessutom begränsas nätverksområdet inte automatiskt genom intervallet mellan enskilda noder, det kan utökas helt enkelt genom att lägga till ett antal noder i systemet.

Den största nackdelen med denna typ av nätverk är energianvändningen för nätverksnoderna som utför kommunikationen som att multi-hop vanligtvis är högre än andra noder som inte har den kapaciteten att begränsa batteriets livslängd ofta. Dessutom, när antalet kommunikationshopp ökar mot en destination, kommer också den tid det tar att skicka meddelandet att öka, särskilt om noder med låg effekt är en nödvändighet.

Hybrid Star - Mesh Network

En hybrid bland de två nätverk som stjärna och nät ger ett starkt och flexibelt kommunikationsnätverk samtidigt som strömförbrukningen för trådlösa sensornoder hålls på ett minimum. I denna typ av nätverkstopologi får sensornoder med mindre effekt inte överföra meddelandena.
Detta gör det möjligt att underhålla minst strömförbrukning.

Men andra nätverksnoder är tillåtna med möjlighet till multi-hop genom att låta dem överföra meddelanden från en nod till en annan i nätverket. Vanligtvis har noderna med multi-hop-kapacitet hög effekt och är ofta anslutna till elnätet. Detta är den implementerade topologin genom det kommande standardnätverket ZigBee.

Strukturen för en trådlös sensornod

Komponenterna som används för att skapa en trådlös sensornod är olika enheter som avkänning, bearbetning, sändtagare och ström. Den innehåller också ytterligare komponenter som är beroende av en applikation som en kraftgenerator, ett lokaliseringssystem och en mobiliserare. Generellt innefattar avkänningsenheter två underenheter, nämligen ADC såväl som sensorer. Här genererar sensorer analoga signaler som kan ändras till digitala signaler med hjälp av ADC, sedan överförs de till processorenheten.

Generellt kan denna enhet associeras genom en liten lagringsenhet för att hantera åtgärderna för att få sensornoden att arbeta med de andra noder för att uppnå de allokerade avkänningsuppgifterna. Sensornoden kan anslutas till nätverket med hjälp av en transceiver-enhet. I sensornoden är en av de viktigaste komponenterna en sensornod. Kraftenheterna stöds genom kraftavskiljningsenheter som solceller medan de andra underenheterna beror på applikationen.

Ett trådlöst avkänningsnoders funktionella blockschema visas ovan. Dessa moduler ger en mångsidig plattform för att hantera kraven i breda applikationer. Till exempel, baserat på de sensorer som ska arrangeras, kan byte av signalbehandlingsblock göras. Detta tillåter användning av olika sensorer tillsammans med den trådlösa avkänningsnoden. På samma sätt kan radiolänken bytas mot en specifik applikation.

Egenskaper för trådlöst sensornätverk

Egenskaperna hos WSN inkluderar följande.

• Förbrukningen av effektgränser för noder med batterier
• Kapacitet att hantera nodfel
• Några rörlighet för noder och nodernas heterogenitet
• Skalbarhet i stor skala
• Förmåga att säkerställa strikta miljöförhållanden
• Enkel att använda
• Tvärlager design

Fördelar med trådlösa sensornätverk

Fördelarna med WSN inkluderar följande

• Nätverksarrangemang kan genomföras utan fast infrastruktur.
• Apt för platser som inte kan nås som berg, över havet, landsbygdsområden och djupa skogar.
• Flexibel om det finns en avslappnad situation när ytterligare en arbetsstation krävs.
• Prissättning för utförande är billig.
• Det undviker massor av ledningar.
• Det kan ge boende för de nya enheterna när som helst.
• Det kan öppnas med hjälp av centraliserad övervakning.

Trådlösa sensornätverksapplikationer

Trådlösa sensornätverk kan omfatta många olika typer av sensorer som låg samplingsfrekvens, seismisk, magnetisk, termisk, visuell, infraröd, radar och akustisk, som är smarta för att övervaka ett brett spektrum av omgivningssituationer. Sensornoder används för konstant avkänning, händelse-ID, händelsedetektering och lokal kontroll av ställdon. Tillämpningarna av trådlösa sensornätverk omfattar främst hälso-, militär-, miljö-, hem- och andra kommersiella områden.

WSN-applikation

• Militära applikationer
• Hälsoapplikationer
• Miljöapplikationer
• Hemapplikationer
• Kommersiella applikationer
• Områdesövervakning
• Övervakning av vården
• Miljö / jordavkänning
• Övervakning av luftföroreningar
• Skogsbranddetektering
• Detektering av skred
• Övervakning av vattenkvaliteten
• Industriell övervakning

Således handlar det här om vad som är en trådlöst sensornätverk , trådlös sensornätverksarkitektur, egenskaper och applikationer. Vi hoppas att du har en bättre förståelse för detta koncept. Dessutom frågor eller att veta om projektidéer för trådlösa sensornätverk , ge dina värdefulla förslag genom att kommentera i kommentarfältet nedan. Här är en fråga till dig, vad är de olika typerna av trådlösa sensornätverk?